Ultrasunete

author
8 minutes, 48 seconds Read

Aplicațiile de mare putere ale ultrasunetelor folosesc adesea frecvențe între 20 kHz și câteva sute de kHz. Intensitățile pot fi foarte mari; peste 10 wați pe centimetru pătrat, poate fi indusă cavitația în medii lichide, iar unele aplicații utilizează până la 1000 de wați pe centimetru pătrat. Astfel de intensități ridicate pot induce modificări chimice sau pot produce efecte semnificative prin acțiune mecanică directă și pot inactiva microorganismele dăunătoare.

Fizioterapie

Articol principal: ultrasunete terapeutice

Ultrasunetele au fost folosite încă din anii 1940 de către fizioterapeuții și ergoterapeuții pentru tratarea țesutului conjunctiv: ligamente, tendoane și fascii (și, de asemenea, țesut cicatricial). Afecțiunile pentru care ultrasunetele pot fi utilizate pentru tratament includ următoarele exemple: entorse ligamentare, întinderi musculare, tendinite, inflamații articulare, fasciită plantară, metatarsalgie, iritații ale fațetelor, sindromul de impingement, bursită, poliartrită reumatoidă, osteoartrită și aderența țesutului cicatricial.

Aplicații biomedicale

Ultrasunele au, de asemenea, aplicații terapeutice, care pot fi foarte benefice atunci când sunt utilizate cu precauții de dozare. Ultrasunetele de putere relativ mare pot sparge depozitele sau țesuturile pietroase, pot accelera efectul medicamentelor într-o zonă țintită, pot ajuta la măsurarea proprietăților elastice ale țesuturilor și pot fi folosite pentru a sorta celulele sau particulele mici pentru cercetare.

Tratament cu impact ultrasonic

Tratamentul cu impact ultrasonic (UIT) folosește ultrasunetele pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice și fizice ale metalelor. Este o tehnică de prelucrare metalurgică în care energia ultrasonică este aplicată unui obiect metalic. Tratamentul cu ultrasunete poate avea ca rezultat o tensiune de compresiune reziduală controlată, o rafinare a granulelor și o reducere a dimensiunii acestora. Oboseala la cicluri joase și înalte de oboseală este îmbunătățită și a fost documentată pentru a oferi creșteri de până la zece ori mai mari decât în cazul specimenelor fără UIT. În plus, UIT s-a dovedit a fi eficient în abordarea fisurării prin coroziune sub tensiune, a oboselii prin coroziune și a problemelor conexe.

Când unealta UIT, formată din traductorul cu ultrasunete, ace și alte componente, intră în contact cu piesa de prelucrat, aceasta se cuplează acustic cu piesa de prelucrat, creând o rezonanță armonică. Această rezonanță armonică se realizează la o frecvență atent calibrată, la care metalele răspund foarte favorabil.

În funcție de efectele dorite ale tratamentului se aplică o combinație de diferite frecvențe și amplitudini de deplasare. Aceste frecvențe sunt cuprinse între 25 și 55 kHz, cu o amplitudine de deplasare a corpului rezonant cuprinsă între 22 și 50 µm (0,00087 și 0,0020 in).

Dispozitivele UIT se bazează pe traductoare magnetostrictive.

Procesare

Articolul principal: Sonicare

Ultrasonarea oferă un mare potențial în prelucrarea lichidelor și a suspensiilor, prin îmbunătățirea amestecului și a reacțiilor chimice în diverse aplicații și industrii. Ultrasonication generează unde alternante de presiune joasă și de presiune înaltă în lichide, ceea ce duce la formarea și colapsul violent al bulelor mici de vid. Acest fenomen se numește cavitație și provoacă jeturi de lichid care se lovesc cu viteză mare și forțe de forfecare hidrodinamice puternice. Aceste efecte sunt utilizate pentru dezaglomerarea și măcinarea materialelor de dimensiuni micrometrice și nanometrice, precum și pentru dezintegrarea celulelor sau pentru amestecarea reactivilor. În acest sens, ultrasunetele reprezintă o alternativă la mixerele de mare viteză și la mori de bile cu agitator. Foliile cu ultrasunete aflate sub sârma în mișcare într-o mașină de hârtie vor folosi undele de șoc ale bulelor care implodează pentru a distribui mai uniform fibrele de celuloză în banda de hârtie produsă, ceea ce va duce la obținerea unei hârtii mai rezistente și cu suprafețe mai uniforme. În plus, reacțiile chimice beneficiază de radicalii liberi creați de cavitație, precum și de aportul de energie și de transferul de material prin straturile limită. Pentru multe procese, acest efect sonochimic (a se vedea sonochemistry) duce la o reducere substanțială a timpului de reacție, cum ar fi în cazul transesterificării uleiului în biodiesel.

Schema procesoarelor de lichide cu ultrasunete la scară de banc și industrială

Intensitatea substanțială a ultrasunetelor și amplitudinile mari ale vibrațiilor ultrasonice sunt necesare pentru multe aplicații de procesare, cum ar fi nanocristalizarea, nanoemulsificarea, dezaglomerarea, extracția, întreruperea celulelor, precum și multe altele. În mod obișnuit, un proces este mai întâi testat la scară de laborator pentru a dovedi fezabilitatea și pentru a stabili unii dintre parametrii de expunere ultrasonică necesari. După ce această fază este finalizată, procesul este transferat la o scară pilot (banc) pentru optimizarea pre-producției în flux și apoi la o scară industrială pentru producția continuă. În timpul acestor etape de scalare, este esențial să se asigure că toate condițiile locale de expunere (amplitudinea ultrasunetelor, intensitatea de cavitație, timpul petrecut în zona de cavitație activă etc.) rămân aceleași. Dacă această condiție este îndeplinită, calitatea produsului final rămâne la nivelul optimizat, în timp ce productivitatea crește cu un „factor de scalare” previzibil. Creșterea productivității rezultă din faptul că sistemele de procesare cu ultrasunete la scară de laborator, de banc și industrială încorporează coarne ultrasonice din ce în ce mai mari, capabile să genereze zone de cavitație de intensitate ridicată din ce în ce mai mari și, prin urmare, să prelucreze mai mult material pe unitate de timp. Acest lucru se numește „scalabilitate directă”. Este important de subliniat faptul că numai creșterea puterii procesorului cu ultrasunete nu duce la o scalabilitate directă, deoarece aceasta poate fi (și este frecvent) însoțită de o reducere a amplitudinii ultrasunetelor și a intensității de cavitație. În timpul scalabilității directe, toate condițiile de procesare trebuie menținute, în timp ce puterea nominală a echipamentului este mărită pentru a permite funcționarea unui corn ultrasonic mai mare.

Manipulare și caracterizare ultrasonică a particulelor

Un cercetător de la Institutul de Cercetare a Materialelor Industriale, Alessandro Malutta, a conceput un experiment care a demonstrat acțiunea de captare a undelor staționare ultrasonice asupra fibrelor de pastă de lemn diluate în apă și orientarea lor paralelă în planurile de presiune echidistante. Timpul de orientare a fibrelor în planurile echidistante este măsurat cu ajutorul unui laser și al unui senzor electro-optic. Acest lucru ar putea oferi industriei hârtiei un sistem de măsurare on-line rapidă a dimensiunii fibrelor. O implementare oarecum diferită a fost demonstrată la Universitatea de Stat din Pennsylvania, folosind un microcip care a generat o pereche de unde acustice de suprafață staționare perpendiculare care permit poziționarea particulelor echidistante una față de cealaltă pe o grilă. Acest experiment, numit pensete acustice, poate fi folosit pentru aplicații în științele materialelor, biologie, fizică, chimie și nanotehnologie.

Curățare cu ultrasunete

Articolul principal: Curățarea cu ultrasunete

Curățătoarele ultrasonice, numite uneori în mod eronat curățătoare supersonice, sunt utilizate la frecvențe cuprinse între 20 și 40 kHz pentru bijuterii, lentile și alte piese optice, ceasuri, instrumente dentare, instrumente chirurgicale, regulatoare de scufundări și piese industriale. Un aparat de curățare cu ultrasunete funcționează în principal prin energia eliberată de colapsul a milioane de cavitații microscopice în apropierea suprafeței murdare. Bulele realizate prin cavitație se prăbușesc formând jeturi minuscule îndreptate spre suprafață.

Dezintegrare ultrasonică

Similară curățării cu ultrasunete, celulele biologice, inclusiv bacteriile, pot fi dezintegrate. Ultrasunetele de mare putere produc o cavitație care facilitează dezintegrarea particulelor sau reacțiile. Acest lucru are utilizări în științele biologice în scopuri analitice sau chimice (sonicare și sonoporare) și în uciderea bacteriilor din apele uzate. Ultrasunetele de mare putere pot dezintegra suspensiile de porumb și pot îmbunătăți lichefierea și sacarificarea pentru un randament mai mare de etanol în instalațiile de măcinare a porumbului uscat.

Umidificator cu ultrasunete

Umidificatorul cu ultrasunete, un tip de nebulizator (un dispozitiv care creează un jet foarte fin), este un tip popular de umidificator. Acesta funcționează prin vibrarea unei plăci metalice la frecvențe ultrasonice pentru a nebuliza (uneori numit incorect „atomiza”) apa. Deoarece apa nu este încălzită pentru evaporare, acesta produce o ceață rece. Undele de presiune cu ultrasunete nebulizează nu numai apa, ci și materialele din apă, inclusiv calciul, alte minerale, viruși, ciuperci, bacterii și alte impurități. Bolile cauzate de impuritățile care rezidă în rezervorul unui umidificator intră sub denumirea de „febră a umidificatorului”.

Umidificatoarele ultrasonice sunt utilizate frecvent în aeroponie, unde sunt denumite în general nebulizatoare.

Sudare ultrasonică

În sudarea cu ultrasunete a materialelor plastice, se utilizează vibrații de înaltă frecvență (15 kHz până la 40 kHz) și amplitudine redusă pentru a crea căldură prin frecare între materialele care urmează să fie îmbinate. Interfața dintre cele două părți este special concepută pentru a concentra energia în vederea obținerii unei rezistențe maxime a sudurii.

Sonochimie

Articol principal: Sonochimie

În chimie se utilizează ultrasunete de putere în intervalul 20-100 kHz. Ultrasunetele nu interacționează direct cu moleculele pentru a induce modificarea chimică, deoarece lungimea sa de undă tipică (în intervalul milimetric) este prea mare în comparație cu moleculele. În schimb, energia provoacă o cavitare care generează temperaturi și presiuni extreme în lichidul în care are loc reacția. De asemenea, ultrasunetele sparg solidele și îndepărtează straturile pasivizante de material inert pentru a oferi o suprafață mai mare pe care să se producă reacția. Ambele efecte fac ca reacția să fie mai rapidă. În 2008, Atul Kumar a raportat sinteza esterilor Hantzsch și a derivaților de polihidrochinolină prin intermediul unui protocol de reacție multicomponent în miceli apoase cu ajutorul ultrasunetelor.

Ultrasunele sunt utilizate în extracție, folosind diferite frecvențe.

Arme

Ultrasunele au fost studiate ca bază pentru arme sonice, pentru aplicații cum ar fi controlul revoltelor, dezorientarea atacatorilor, până la niveluri letale de sunet.

Comunicare fără fir

În iulie 2015, The Economist a relatat că cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley, au efectuat studii cu ultrasunete folosind diafragme de grafene. Subtilitatea și greutatea redusă a grafenului, combinate cu rezistența sa, fac din acesta un material eficient pentru a fi utilizat în comunicațiile cu ultrasunete. O aplicație sugerată pentru această tehnologie ar fi comunicațiile subacvatice, unde unde undele radio nu călătoresc de obicei bine.

Semnalurile ultrasonice au fost folosite în „balize audio” pentru urmărirea între dispozitive a utilizatorilor de internet.

.

Similar Posts

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.